ＴＤ－ＳＣＤＭＡ標準綜述（１）

[編者按] 2000年5月由國際電信聯盟無線電通信部(ITU-R)通過了3G的5個標準，其中包括我國提出的TD-SCDMA標準。鑒于第二代移動通信系統(2G)已在中國形成了一個能夠基本滿足人們語音和短信通信需求的覆蓋全國的移動通信網絡，因此3G應該以提供因特網業務為主。目前，3G的幾個主流標準都存在一些問題，在國際、國內的發展都不順利，尤其是對TD-SCDMA系統的認識還有待深入。為了使讀者對TD-SCDMA標準有所了解，本講座將分3期對TD-SCDMA標準進行介紹：第1期介紹和比較3G標準以及3G所占用頻段的傳播特性可能對3G系統產生的影響；第2期講述CDMA的一些基本原理和TD-SCDMA標準中所使用的一些關鍵技術；第3期將介紹TD-SCDMA標準的主要技術特征。

第三代移動通信系統(3G)標準自2000年5月公布以來，發展并不順利，其中由中國提出的TD-SCDMA具有許多與其它3G標準不同的技術特色，正在中國得到逐步推廣應用。第二代移動通信系統(2G)已在國內得到長足發展，形成了基本滿足人們語音和短信通信需求的覆蓋全國的移動通信網絡，并且將在20～30年內長期存在。因此3G應該以提供因特網業務為主，下行容量遠大于上行容量5倍以上。

就此而言，3G的幾個主流標準都存在一些問題。CDMA方式的主要技術缺陷是上下行容量基本相同，而且當增加發信功率時，系統產生的自干擾會加大，導致頻道容量基本不變。無法利用發信功率換取頻譜資源效率，導致CDMA方式的小區頻譜利用率很低，雖然可以利用一些高級技術，如多用戶接收、智能天線等改善上述問題，但系統的性價比會迅速下降。而且對用戶而言上行信道不需要寬帶配置，這導致頻譜資源的嚴重浪費。美國因此停止執行CDMA2000標準的3G部分CDMA2000 3X，拋棄以碼分多址為主而轉向以時分多址(TDMA)為基本方式的EV-DO。由于TDMA的EV-DO方式需要一個獨立的下行頻道，由此也可以看出國際電信聯盟(ITU)將3G 頻分雙工(FDD)頻段對稱劃分的不合理性。應該認識到3G標準存在許多不合理的地方，還有必要加以研究，以便在應用中予以修正。

1 3G標準簡介

3G標準的基本目標是3G系統能在車載、步行和靜止3種環境下為多個用戶分別提供最高比特傳輸速率(Rb)為144 kb/s、384 kb/s和2 048 kb/s的無線接入數據傳輸，為多個用戶提供Rb可變的無線接入是3G標準的核心要求。對應于不同的數據速率要求基站的覆蓋半徑分別約為12 km、300 m和10 m。顯然，滿足后兩者應用要求的系統建設成本過高，應用價值很低。

ITU-R通過的“IMT-2000無線接口規范”中主要包括5個標準，但是人們常常提及其中的3個3G主流標準。

1.1 3G主流標準

表1給出了WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000這3種主流3G標準的主要參數。這3種方式均采用CDMA方式，在WCDMA方式中又分為時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)兩類。FDD-WCDMA和TDD-WCDMA的主要倡議者為歐洲和日本，TD-SCDMA由中國提出，CDMA2000由美國為主要倡議者。

TD-SCDMA標準于1999年12月開始與TDD-WCDMA標準融合后， 作為TDD-CDMA標準的一部分被公布。然而TDD-WCDMA雖然是國際公認的步行移動通信標準，在國際上卻沒有應用實例，它是一個應用價值極低、被擱置的標準。TD-SCDMA標準的許多內容與TDD-WCDMA雷同，所以國際上有時也把它稱為低碼片速率(Rc)的TDD-CDMA。

此處W的含義是寬帶，由表1中可見，WCDMA和TD-SCDMA占用的頻道帶寬分別為5 MHz和1.6 MHz。TD與TDD的含義均為時分雙工，即在一個頻點上使用不同的時隙(TS)用于上行和下行信道的信息傳輸。上行信道指由移動臺(MS)至基站(BS)的傳輸信道，反之則為下行信道。TDD一般用于小靈通之類覆蓋半徑較小的步行移動通信系統。它的優點是無需分配對稱的上/下行頻段，可以充分利用那些不便于實現上/下行對稱頻段分配的頻譜資源。使用TDD方式時，由于基站收發信設備只在1/2的時間內工作，所以設備和能源的效率較低。GSM等車載移動通信系統一般都使用FDD方式。

SCDMA的含義是小區內上行信道地址碼使用同步的沃而什(Walsh)地址碼，在TDD-WCDMA系統中也是這么做的，優點是便于在TDD系統中使用聯合接收機(JD)，可用于減少TS時隙內多個CDMA信道之間的干擾。在車載移動通信系統中都使用準同步地址碼。這是因為上行同步地址碼的使用將導致設備的復雜性上升，且很難達到同步地址碼的使用效果。

TD-SCDMA系統的碼片速率為TDD-WCDMA系統的1/3，優點是易于收發信機的實現，而缺點是可用帶寬較窄，一般需同時使用多個頻點。除此之外，它們的主要不同是在TD-SCDMA系統中強調必須使用智能天線技術，在TDD-WCDMA標準中則將其列為可選技術。

注意表1中各種標準可用的工作頻段，若可以用在兩個不同頻段時，該標準的靈活性較大。不過此處只有CDMA2000可分別用于兩個頻段，并分別起到移動和個人(步行)移動通信系統的作用，甚至可以考慮在兩個頻段分別使用兩個無線接入網(RAN)，并合用一個核心網(CN)。TD-SCDMA標準的種種特征表明它適用于步行移動通信系統，實際上不應該用于900 MHz頻段。

CDMA2000標準1x部分的碼片速率與窄帶CDMA IS-95相同，兩系統可以兼容。其真正的3G部分CDMA2000 3x的下行鏈路采用多載波方式，即一個用戶可以同時使用3個頻道，Rc與IS-95相同，射頻設備仍可兼容；上行鏈路為單載波，碼片速率為3.6864 Mc/s，此時才與FDD-WCDMA相當，但占用的射頻帶寬卻遠小于WCDMA系統，這說明它的頻譜利用率較高。

FDD-WCDMA低Rb用戶或語音用戶的移動臺(MS)成本也會大幅上升，在CDMA2000系統中則不會出現此類不合理現象。因此CDMA2000的做法要比WCDMA系統合理。但是在移動因特網應用中，要求的上行容量很小，所以上行的寬帶頻譜配置是一種浪費，然而所要求的下行容量極大，CDMA方式無法滿足。所以CDMA2000 3x標準還是被遺棄，這也從一個側面說明WCDMA系統的不合理性。

取代CDMA2000 3x標準的1x EV-DO增加了一個專門用于傳輸高速數據(高于38.4 kb/s)的、帶寬為1.23 MHz的載波，它的基本參數見表2。上行鏈路的Rb要求較低，所以它的參數與CDMA2000 1x RC3類似。突出的改變是在下行鏈路中采用時分多址 (TDMA)方式區分多個用戶，利用插入的前置Wx64區分不同的用戶信道，并利用Wx16在各用戶占用時隙中構成用戶碼分子信道。各用戶的擴頻系數(SF)由基站(BS)據信號傳播衰落情況決定，SF≈80～2。

在1x EV-DO之后提出的1x EV-DV與其主要不同是可以用一個載波同時傳輸語音、低Rb和高Rb信號，在傳輸語音與低Rb時使用與CDMA2000 1x相同的無線配置，并將剩余的Walsh碼資源組成兩個TDMA信道用于高Rb信號的傳輸。相應的Rb可分為81.6 kb/s、158.4 kb/s……3 091.2 kb/s這18檔，選用1/5 Turbo糾錯編碼，可選用QPSK、8PSK、16QAM調制方式。

1x EV-DV的相關參數在將在《CDMA2000系統RC10的無線配置》中公布，然而現在可以證明在多個CDMA信道中不可能實現高速數據傳輸，所以1x EV-DV標準已被廢止。在WCDMA R5中給出的高速下行分組接入 (HSDPA)與1x EV-DV有類似的機制，亦被證明無法實現。WCDMA標準現也提出了類似EV-DO需使用獨立頻點的HSDPA方式。

如上所述，許多提出的3G標準在應用研究中被否定，這說明已提出的3G標準是很不成熟的，在應用研究過程中還需繼續判定它們的合理性。

1.2 3G的其他兩個標準

美國提出的另一個3G標準是時分多址的UWC136標準，此標準以美國的2G標準數字高級移動電話系統(DAMPS)為基礎，包括了在北美大量使用的GSM標準，具有3種頻道帶寬，分別為30 kHz，200 kHz和1.6 MHz。1.6 MHz系統僅限于室內使用。在3G標準中公布UWC136標準說明DAMPS、GSM等2G標準還會長期存在。

歐洲的2G 數字增強無繩通信(DECT)標準也是3G標準之一，它是一個步行速度的移動通信標準，中國的小靈通系統、日本的PHS系統和DECT系統在2G中作用相同，因此小靈通系統和PHS系統仍應有一定的發展空間。再考慮到CDMA2000標準從CDMA到TDMA的突然轉向，更應認識到上述標準的合理性。

1.3 移動通信系統主要指標的比較

表3給出了所關注的幾個移動通信系統的主要指標，其中移動通信系統占用的頻段和帶寬是系統占用頻譜資源效率的重要指標。

800～900 MHz的頻譜資源是優質車載移動通信頻譜資源，應該用于小區覆蓋半徑較大， 運動速度很快的車載移動通信系統；2 GHz頻段適用于覆蓋半徑小于300 m的步行移動通信系統。系統占用帶寬是頻譜利用率ηf的重要指標，表3中用分配帶寬表示。

就目前已應用的系統而言，小靈通占用的帶寬僅為2G系統的15%，卻同樣能覆蓋全部城區，因此小靈通的頻譜利用率應該是最高的，主要靠較小的小區覆蓋和小區間的頻率復用取得。

表3中的發功率指標中部分系統以最大發功率的形式給出，其中移動臺的發功率和覆蓋半徑的關系應該是在發語音數據的條件下，在發3G高速數據時，發功率需成倍上升。

從發功率指標可以判定，CDMA系統的主要優勢是功率利用率ηp較高，即可以用較小的發功率覆蓋較大的小區半徑，對人體健康和環境保護的影響較小。這也是3G系統最早都選擇CDMA方式的初衷。由于TD-SCDMA的下行信道數要遠小于FDD-WCDMA，而且TD-SCDMA還使用智能天線，所以這兩個標準給出的基站發功率指標不太合理。從表3中可以看出，GSM系統要求的發功率遠遠大于CDMA2000 1x系統，小靈通系統要求的發功率最小。由于2 GHz頻段原屬微波頻段，對人體健康的影響較大，在城市環境中設立大功率基站時，環境電磁波輻射較大。小靈通系統的基站發功率才達0.5 W，比較適合城市環境的應用。

表3中給出的FDD-WCDMA和TD-SCDMA的移動臺最大發功率均為2 W，實際上這么大的微波發功率并不適合用于手機，在計算覆蓋半徑的無線鏈路預算中一般取手機發功率為21 dBm(0.126 W)，此時密集市區環境中FDD-WCDMA的覆蓋半徑約為560 m，TD-SCDMA約為313 m。這說明它們的覆蓋半徑將接近小靈通的參數，將導致基站數和網絡建設成本的快速上升。對于在800～900 MHz頻段工作的CDMA2000 1x和GSM系統而言，則不會出現此類情況。

1.4 3G移動通信系統的頻率分配

3G的頻段為2 GHz，2 GHz屬微波頻段的低端，具有視距傳播特性，對人體健康的影響比2G的900 MHz頻段大的多，而且2 GHz頻段的電波傳播衰落在城區和郊區環境分別比900 MHz頻段大14.4 dB和9.5 dB。只考慮這一點，2 GHz頻段的MS發信功率約需分別增加至900 MHz頻段的27.5倍和9倍。也可以采用減小覆蓋半徑的方法以避免過大的發功率，但此時系統的建設成本上升。而且2 GHz頻段的電波穿透能力和繞射能力均較差，易產生覆蓋盲區，即易掉話，此時即使增加發信功率也無濟于事。1.8 GHz GSM系統和小靈通的應用情況也證明了這一點?？梢哉J為該頻段并不是理想的移動通信頻段。

所以在美國聯邦通信委員會(FCC)的規定中將2 GHz定為個人通信頻段，其含義是適用于覆蓋半徑(r)小于300 m的步行速度無線通信系統，并已在1995年采用分段、分地區的方法拍賣完畢。因此在美國并不存在3G的分配頻段，雖然也可將此頻段用于3G系統，卻是極不合理的。

較理想的覆蓋方法是用2 GHz頻段在人員稠密地區提供r<1 km的小區覆蓋，為低速移動用戶提供無線接入。用900 MHz頻段提供1 km

1.5 移動通信系統兩個關鍵指標間的相互制約性

頻譜利用率ηf和功率利用率ηp是移動通信系統的兩個關鍵指標，可以用來評價系統性能。由香農公式可以看出這兩個指標間存在一種相互制約的關系：

C＝BW 10log2(1+S /N ) (1)

由式(1)可以看出信道容量C(單位是b/s)，即容許提供的信息速率，是信道帶寬BW 和收信號功率S 的函數，有S =PT /LP，其中PT 為發信號功率，LP為電波傳播損耗。

在C保持不變時，如果BW 上升，則所要求的S下降。以CDMA2000 1x為例，小區中只有一個語音用戶時要求提供的C為9.6 kb/s，每個用戶占用的帶寬為1.25 MHz，噪聲N 的值極小，所以此時要求的S 極小。據表3，約0.2 W的發功率可以傳輸50 km。但是當小區中的用戶增加時，多個用戶產生的自干擾會使N 值上升，雖然每個用戶占用的帶寬不變，但要求的S會大幅上升。這種自干擾是由于CDMA小區內的用戶都使用相同的頻點在同一時間發信，是無法避免的。實際上它是CDMA系統中無法克服的問題。

在3G系統中，要求提供的每個用戶的速率至少達到144 kb/s，若保持BW不變則要求的S應擴大144÷9.6＝15倍，它等于發功率PT應增加的倍數。這也可以從誤比特率(BER)曲線得到證實，見圖1。

當要求的BER為10-4時要求的門限Eb /N0=4.5 dB時，比特能量Eb=Pr#8226;Tb，Pr =S，Tb為比特寬度，當Rb從9.6 kb/s增加到144 kb/s時，為保持Eb不變，則Pr 及PT 都必須增加15倍，應由原來的0.2 W增加至3 W，當用戶增加時要求的PT還會大幅上升。

在3G系統中計劃采用 8PSK、16QAM等ηf較高的調制方式，但據圖1中8PSK的BER曲線可知此時要求的發功率會增加一倍，導致ηp下降。此時要求的收功率上升，會導致CDMA系統中的自干擾上升，可提供的比特速率下降，所以無法利用發功率換取ηf。另外還經常采用提升糾錯編碼(ECC)率的方法減少ECC的編碼冗余位。在式(1)中BW保持不變時，會使S上升，即ηp下降，因此也很難達到預期的目標。 (待續)

收稿日期：2007-05-16

作者簡介

傅海陽，南京郵電大學通信與信息工程學院教授、博士生導師。1992年獲政府特殊津貼，曾作為國家公派訪問學者出國研修近兩年。研究領域為移動互聯網、移動通信與無線技術等。發表論文50余篇。

金卓琳，南京郵電大學通信與信息工程學院通信與信息系統專業在讀碩士研究生，主要研究方向為移動通信與無線技術。

張青，南京郵電大學通信與信息工程學院通信與信息系統專業在讀碩士研究生，主要研究方向為移動通信與無線技術。